新規パースルフィド合成酵素の発見と生理機能の解明

• 研究課題/領域番号: 23K06386
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分48040:医化学関連
• 研究機関: 大阪公立大学
• 研究代表者: 井田 智章 大阪公立大学, 研究推進機構, 特任准教授 (70570406)
• 研究分担者: 守田 匡伸 東北大学, 医学系研究科, 講師 (10519094)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2025年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2024年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2023年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 超硫黄 / システインパースルフィド / アミノアシルtRNA合成酵素 / 超硫黄分子 / パースルフィド合成酵素

研究開始時の研究の概要

システインパースルフィド(CysSSH)に代表される超硫黄分子は、生体内に豊富に生成され、酸化ストレスに起因する様々な病態・疾患に対して防御的機能を発揮している。最近、このCysSSH生成活性がシステインtRNA合成酵素だけでなく他の多くのアミノアシル-tRNA合成酵素 (ARS)にも認められ、この生成系が生物種を超えて保存されていることを予備的に見出した。本研究では、全生物種が有するARSが新規パースルフィド合成酵素として機能していることを酵素反応論により検証し、各種ARS遺伝子改変バイオリソースを用いて、新たなパースルフィド合成反応機構とその生理機能を解明する。

研究実績の概要

システインパースルフィド(CysSSH)に代表される超硫黄分子は、生体内に豊富に生成され、酸化ストレスに起因する様々な病態・疾患に対して防御的機能を発揮している。研究代表者らは、質量分析装置を用いた硫黄メタボロームを確立して、CysSSH生合成系としてシステインtRNA合成酵素(CARS; 翻訳関連酵素の一つ)を同定し、CARS由来の超硫黄分子がレドックスシグナルやエネルギー代謝などの多彩な生理活性を担っていることを報告してきた。しかしながら、超硫黄分子の生合成系の全貌解明には至っていない。そこで本研究では、全生物種が有するアミノアシルtRNA合成酵素(ARS)が新規パースルフィド合成酵素として機能していることを酵素反応論により検証し、さらに、各種ARS遺伝子改変バイオリソースを用いてエネルギー代謝や寿命等を解析することで、新たなパースルフィド合成反応機構とその生理機能を解明する。
本年度は、まず、CARSによるCysSSH合成活性制御機構を探索するなかで、CysSSH合成活性中心であるPLP結合部位の周辺アミノ酸配列を変異した変異体CARSを合成・精製し、そのCysSSH合成活性を解析した。その結果、PLP結合部位の周辺アミノ酸配列は生物種横断的に高く保存されており、この周辺アミノ酸配列によってCysSSH合成活性が制御されていることを見出した。
次に、大腸菌CARSの酵素反応機構を解析する中で、CARSだけでなく、各種組換えARSを合成・精製し、それらのCysSSH合成活性を検討した結果、ロイシルtRNA合成酵素を筆頭に他の多くのARSにもパースルフィド産生能があることが示された。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

大腸菌由来のCARSのCysSSH合成制御機構を解明するために、PLP結合量とCysSSH合成量が相関することを示した。またPLP結合周辺アミノ酸配列が生物種横断的に高く保存されていることを見出した。さらに、このPLP結合周辺アミノ酸配列がPLP結合量を制御しており、それによって、CysSSH合成活性が制御されていることを見出した。
一方、CARS以外の超硫黄生成機構を探索するなかで、大腸菌CARSだけでなく、各種組換え大腸菌由来ARSを合成・精製し、それらのCysSSH合成活性を検討した結果、ロイシルtRNA合成酵素を筆頭に他の多くのARSにもパースルフィド産生能があることが示された。

今後の研究の推進方策

ARSによる生物種横断的CysSSH合成能を検討する。
ARSによるパースルフィド産生における基質特異性を速度論的解析により明らかにすることで、CARSやARSによる超硫黄産生と代謝制御が、どの程度、生物種普遍的であるのかを解明する。
各種ARSのパースルフィド合成機構を解明する。

研究成果

• [国際共同研究] National Institute of Oncology(ハンガリー)
• [国際共同研究] University of Southampton/University of Birmingham(英国)
• [雑誌論文] Longevity control by supersulfide-mediated mitochondrial respiration and regulation of protein quality (2024)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Akira、Yoon Sunghyeon、Matsunaga Tetsuro、Ida Tomoaki、Jung Minkyung、Ogata Seiryo、Morita Masanobu、Yoshitake Jun、Unno Yuka、Barayeu Uladzimir、Takata Tsuyoshi、Takagi Hiroshi、Motohashi Hozumi、van der Vliet Albert、Akaike Takaaki
  • 雑誌名: Redox Biology 巻: 69 ページ: 103018-103018
  • DOI: 10.1016/j.redox.2023.103018
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quantitative profiling of supersulfides naturally occurring in dietary meats and beans (2024)
  • 著者名/発表者名: Kasamatsu Shingo、Kinno Ayaka、Miura Chiharu、Hishiyama Jun-ichi、Fukui Kensuke、Kure Shoji、Tsumura Kazunobu、Ida Tomoaki、Matsunaga Tetsuro、Akaike Takaaki、Ihara Hideshi
  • 雑誌名: Analytical Biochemistry 巻: 685 ページ: 115392-115392
  • DOI: 10.1016/j.ab.2023.115392
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Supersulphides provide airway protection in viral and chronic lung diseases (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsunaga Tetsuro、Sano Hirohito、Takita Katsuya、Morita Masanobu、Yamanaka Shun、Ichikawa Tomohiro、Numakura Tadahisa、Ida Tomoaki、Jung Minkyung、Ogata Seiryo、Yoon Sunghyeon、Fujino Naoya、Kyogoku Yorihiko、Akaike Takaaki、et al.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1 ページ: 4476-4476
  • DOI: 10.1038/s41467-023-40182-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Untargeted polysulfide omics analysis of alternations in polysulfide production during the germination of broccoli sprouts (2023)
  • 著者名/発表者名: Kasamatsu Shingo、Owaki Takuma、Komae Somei、Kinno Ayaka、Ida Tomoaki、Akaike Takaaki、Ihara Hideshi
  • 雑誌名: Redox Biology 巻: 67 ページ: 102875-102875
  • DOI: 10.1016/j.redox.2023.102875
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Supersulfide catalysis for nitric oxide and aldehyde metabolism (2023)
  • 著者名/発表者名: Kasamatsu Shingo、Nishimura Akira、Alam Md. Morshedul、Morita Masanobu、Shimoda Kakeru、Matsunaga Tetsuro、Jung Minkyung、Ogata Seiryo、Barayeu Uladzimir、Ida Tomoaki、Nishida Motohiro、Nishimura Akiyuki、Motohashi Hozumi、Akaike Takaaki
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 9 号: 33 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1126/sciadv.adg8631
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis of sulfides and persulfides is not impeded by disruption of three canonical enzymes in sulfur metabolism (2023)
  • 著者名/発表者名: Zainol Abidin Qamarul Hafiz、Ida Tomoaki、Morita Masanobu、Matsunaga Tetsuro、Nishimura Akira、Jung Minkyung、Hassan Naim、Takata Tsuyoshi、Ishii Isao、Kruger Warren、Wang Rui、Motohashi Hozumi、Tsutsui Masato、Akaike Takaaki
  • 雑誌名: Antioxidants 巻: 12 号: 4 ページ: 868-868
  • DOI: 10.3390/antiox12040868
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cysteine hydropersulfide reduces lipid peroxidation and protects against myocardial ischaemia-reperfusion injury - Are endogenous persulfides mediators of ischaemic preconditioning? (2023)
  • 著者名/発表者名: Griffiths Kayleigh、Ida Tomoaki、Morita Masanobu、Lamb Reece J.、Lee Jordan J.、Frenneaux Michael P.、Fukuto Jon M.、Akaike Takaaki、Feelisch Martin、Madhani Melanie
  • 雑誌名: Redox Biology 巻: 60 ページ: 102605-102605
  • DOI: 10.1016/j.redox.2023.102605
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Polysulfide metabolizing enzymes influence SqrR-mediated sulfide-induced transcription by impacting intracellular polysulfide dynamics (2023)
  • 著者名/発表者名: Shimizu Takayuki、Ida Tomoaki、Antelo Giuliano T、Ihara Yuta、Fakhoury Joseph N、Masuda Shinji、Giedroc David P、Akaike Takaaki、Capdevila Daiana A、Masuda Tatsuru
  • 雑誌名: PNAS Nexus 巻: 2 号: 3 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad048
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Discovery of new persulfide synthases that are expressed among all organisms during their evolution (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoaki Ida, Minkyung Jung, Seiryo Ogata, Masanobu Morita, Tetsuro Matsunaga, Yuka Unno, Ayumu Kobayashi, Yasuhiro Ishimaru, Nobuyuki Uozumi, Hozumi Motohashi, Shingo Kasamatsu, Hideshi Ihara, Takaaki Akaike
  • 学会等名: 新興硫黄生物学が拓く生命原理変革（硫黄生物学）第３回領域会議
• [備考] 東北大学大学院医学系研究科環境医学分野HP
  • URL: http://www.toxicosci.med.tohoku.ac.jp/index.html